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现场总线概述

1前言

现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通

信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线。用现场

总线将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系

统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护

费用。

当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领

域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代

的DCS发展至今的FCS（FieldbusControlSystem）系统，已

被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在

于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信

号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication

通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、

就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。

2现场总线控制系统的结构及其特点

国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下

三点要求：同一数据链路上过程控制单元（PCU）、PLC

等与数字1/O设备互连；现场总线控制器可对总线上的多个

操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；通信媒体安装

费用较低。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟

通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高

层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间

的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，

如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系

统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。

系统中的主控器（Host）可以是PLC或PC，通过总线接

口对整个系统进行管理和控制。其总线接口，有时可以称为

扫描器。可以是分别的卡件，也可以集成于PLC中。总线接

口作为网络管理器和作为主控器到总线的网关，管理来自总

线节点的信息报告，并且转换为主控器能够读懂的某种数据

格式传送到主控器。总线接口的缺省地址通常设为“0”电源，

是网络上每个节点传输和接收信息所必需的。通常输入通道

与内部芯片所用电源为同一个电源，习惯称为总线电源。而

输出通道使用独立的电源，称为辅助电源。

系统中的输入输出节点虽然有许多不同的类型，但在应

用中最常用的是24V直流的2线、3线传感器或机械触点。

该节点具有IP67的防护等级，有防水、防尘、抗振动等特性，

适合于直接安装在现场。另一个节点是端子式节点，独立的

输入/输出端子块安装在DIN导轨上，并连接着一个总线耦

合器。该总线直流耦合器是连接总线的网关。这种类型的节

点是开放式的结构，其防护等级为IP20，它必须安装在机箱

中。端子式输入/输出系统包含有许多种开关量与模拟量输入

/输出模块，以及串行通讯、高速计数与监控模块。端子式输

入/输出系统可以独立使用也可以结合使用。而节点地址连接

一个辅助电源，该电源用于驱动电磁阀和其他的电器设备。

通过将辅助电器与总线电源分开可以极大地降低在总线信

号中的噪音。另外大部分总线节点可以诊断出电器设备中的

短路状态并且报告给主控器，即使发生短路也不会影响整个

系统的通讯。普通传感器等现场装置可以通过输入输出模块

连接到现场总线系统工程中，也可以单独装入总线通讯接

口，连接到总线系统中。

总线电缆和终端电阻：总线电缆一般分为主干缆和分支

电缆。各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定，不同

的通讯波特率，对应不同的总线电缆长度。同时，分支电缆

的长度也是有所限制的。网络的最后部分是终端电阻。在一

些总线系统中，这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电

阻，用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。

2.1现场总线特点

与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场总线控制系

统具有无可比拟的优势。其特点包括：

·具有较高的性能价格比，系统综合成本及一次性安装费用

减少40%。由于导线、连接附件的大幅度的减少，使原来的

几百根，甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆，从而也

使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少，所以设计、安

装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改造的停工时

间减少60%。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行；

标准接插件快速、简便的安装，耗费的人力、物力大量减少；

强大的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量大幅减

少。

·系统性能大幅度提高。可靠的数据传输，快速的数据响应，

强大的抗干扰能力，使控制系